KR20110037037A - Oscillator and method of operating the same - Google Patents

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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B15/00—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects
    • H03B15/006—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects using spin transfer effects or giant magnetoresistance

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Abstract

PURPOSE: An oscillator and a method for operating the same are provided to simplify the operation by forming a spin torque oscillator with high output power. CONSTITUTION: A first and a second free layers(10,20) are separated from each other. A nonmagnetic layer(15) is placed in the middle of the free layers. The magnetization direction of the first and the second free layers can be changed. The first and the second free layers can have a perpendicular magnetic anisotropy or an in-plane magnetic anisotropy.

Description

발진기 및 그 동작방법{Oscillator and method of operating the same}Oscillator and method of operating the same

발진기 및 그 동작방법에 관한 것이다. An oscillator and a method of operating the same.

발진기(Oscillator)는 일정한 주기의 신호를 발생시키는 장치로서, 주로 이동통신 단말기, 위성 및 레이더통신 기기, 무선네트워크 기기, 자동차용 통신 기기 등 무선통신 시스템에 사용되고, 아날로그 음향 합성장치 등에도 사용된다. 모든 이동통신 기기는 특정 주파수 대역의 정보를 전달하게 되는데, 여기서 특정 주파수 대역을 만들어내는 부품이 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator)(VCO)이다. Oscillator is a device that generates a signal of a certain period, mainly used in wireless communication systems such as mobile communication terminals, satellite and radar communication devices, wireless network devices, automotive communication devices, and also used in analog sound synthesis apparatus. All mobile devices carry information on a specific frequency band, where the component that produces that frequency band is a voltage controlled oscillator (VCO).

발진기에서 중요한 요소로는 출력 전력(output power), 품질 계수(quality factor) 및 위상 노이즈(phase noise) 등이 있다. 출력 전력과 품질 계수는 높을수록, 위상 노이즈는 작을수록 발진기는 우수한 특성을 갖는다. 최근, 통신 기기의 고성능화 및 소형화 요구가 증가하고, 동작 주파수 대역이 높아짐에 따라, 소형이면서, 높은 품질 계수 및 낮은 위상 노이즈를 갖는 고출력 발진기의 개발이 요구되고 있다. Important factors in the oscillator include output power, quality factor and phase noise. The higher the output power and quality factor, the smaller the phase noise, the better the oscillator. In recent years, as the demand for high performance and miniaturization of communication devices increases and the operating frequency band increases, development of a high output oscillator which is small and has a high quality factor and low phase noise is required.

스핀 전이 토크(spin transfer torque) 현상을 이용하는 것으로, 높은 출력 전력(output power)을 갖는 발진기를 제공한다. The use of the spin transfer torque phenomenon provides an oscillator with high output power.

상기 발진기의 동작방법을 제공한다. It provides a method of operating the oscillator.

본 발명의 한 측면(aspect)에 따르면, 제1 자유층; 상기 제1 자유층 상에 제1 비자성층; 및 상기 제1 비자성층 상에 상기 제1 자유층에 대응하는 제2 자유층;을 포함하는 발진기가 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a first free layer; A first nonmagnetic layer on the first free layer; And a second free layer corresponding to the first free layer on the first nonmagnetic layer.

상기 제1 및 제2 자유층은 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 가질 수 있다. The first and second free layers may have perpendicular magnetic anisotropy.

상기 제1 및 제2 자유층은 수평 자기이방성(in-plane magnetic anisotropy)을 가질 수 있다. The first and second free layers may have in-plane magnetic anisotropy.

상기 제1 비자성층은 도전층 또는 절연층일 수 있다. The first nonmagnetic layer may be a conductive layer or an insulating layer.

상기 제1 및 제2 자유층은 동일한 두께를 가질 수 있다. The first and second free layers may have the same thickness.

상기 제1 및 제2 자유층 중 적어도 하나는 단층 구조를 가질 수 있다. At least one of the first and second free layers may have a single layer structure.

상기 제1 및 제2 자유층 중 적어도 하나는 다층 구조를 가질 수 있다. At least one of the first and second free layers may have a multilayer structure.

상기 제1 및 제2 자유층이 다층 구조를 갖는 경우, 상기 제1 자유층은 상기 제1 비자성층 하면에 차례로 구비된 제1 및 제2층을 포함할 수 있고, 상기 제2 자유층은 상기 제1 비자성층 상면에 차례로 구비된 제3 및 제4층을 포함할 수 있다.When the first and second free layers have a multi-layered structure, the first free layer may include first and second layers that are sequentially provided on a lower surface of the first nonmagnetic layer, and the second free layer may include the It may include a third and a fourth layer provided on the upper surface of the first nonmagnetic layer.

상기 제1층은 상기 제3층과 등가할 수 있고, 상기 제2층은 상기 제4층과 등가할 수 있다. The first layer may be equivalent to the third layer, and the second layer may be equivalent to the fourth layer.

상기 제1 자유층은 상기 제2층에 의해 수직 자기이방성을 가질 수 있고, 상기 제2 자유층은 상기 제4층에 의해 수직 자기이방성을 가질 수 있다. The first free layer may have perpendicular magnetic anisotropy by the second layer, and the second free layer may have vertical magnetic anisotropy by the fourth layer.

상기 제2 자유층 상에 제2 비자성층과 제3 자유층이 적어도 1회 반복 적층될 수 있다. The second nonmagnetic layer and the third free layer may be repeatedly stacked at least once on the second free layer.

상기 제3 자유층은 상기 제1 및 제2 자유층과 동일한 물질로 구성될 수 있다. The third free layer may be made of the same material as the first and second free layers.

상기 제2 비자성층은 상기 제1 비자성층과 동일한 물질로 구성될 수 있다. The second nonmagnetic layer may be made of the same material as the first nonmagnetic layer.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 자유층, 상기 제1 자유층 상에 제1 비자성층, 및 상기 제1 비자성층 상에 상기 제1 자유층에 대응하는 제2 자유층을 포함하는 발진기의 동작방법이 제공된다. 상기 동작방법은 상기 발진기에 전류를 인가하는 단계; 및 상기 발진기의 저항 변화를 검출하는 단계;를 포함할 수 있다. According to another aspect of the invention, an oscillator comprising a first free layer, a first nonmagnetic layer on the first free layer, and a second free layer corresponding to the first free layer on the first nonmagnetic layer. A method of operation is provided. The operating method includes applying a current to the oscillator; And detecting a change in resistance of the oscillator.

상기 전류는 직류 전류일 수 있다. The current may be a direct current.

상기 전류는 상기 제1 및 제2 자유층을 통과하도록 인가될 수 있다. The current may be applied to pass through the first and second free layers.

상기 제1 및 제2 자유층은 수직 자기이방성을 가질 수 있다. The first and second free layers may have perpendicular magnetic anisotropy.

상기 제1 및 제2 자유층은 수평 자기이방성을 가질 수 있다. The first and second free layers may have horizontal magnetic anisotropy.

상기 제2 자유층 상에 제2 비자성층과 제3 자유층이 적어도 1회 반복 적층될 수 있다. The second nonmagnetic layer and the third free layer may be repeatedly stacked at least once on the second free layer.

출력 전력(output power)이 높은 스핀 토크 발진기(spin torque oscillator)를 구현할 수 있다. 상기 발진기는 간단한 방법으로 동작시킬 수 있다. A spin torque oscillator with high output power can be implemented. The oscillator can be operated in a simple manner.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 발진기 및 그 동작방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소들을 나타낸다. Hereinafter, an oscillator and an operating method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the thicknesses of the layers or regions illustrated in the drawings are somewhat exaggerated for clarity. Like numbers refer to like elements throughout.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발진기를 보여주는 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing an oscillator according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 비자성층(15)을 사이에 두고 서로 이격된 제1 및 제2 자유층(10, 20)이 구비될 수 있다. 제1 및 제2 자유층(10, 20)은 자화 방향이 변동 가능한 층으로서, 자화 방향이 고정된 고정층(pinned layer)에 대비될 수 있다. 제1 및 제2 자유층(10, 20)은 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy) 또는 수평 자기이방성(in-plane magnetic anisotropy)을 가질 수 있다. 제1 및 제2 자유층(10, 20)이 수직 자기이방성을 갖는 경우, 제1 및 제2 자유층(10, 20)은, 예컨대, CoPt 및 CoCrPt 와 같이 Co를 포함하는 합금으로 형성된 합금층이거나, Co 및 Co 합금 중 적어도 하나를 포함하는 층과 Pt, Ni 및 Pd 중 적어도 하나를 포함하는 층이 교대로 적층된 다층구조일 수 있다. 제1 및 제2 자유층(10, 20)이 수평 자기이방성을 갖는 경우, 예컨대, CoFeB 및 NiFe와 같이 Co, Ni 및 Fe 중 적어도 하나를 포함하는 물질층일 수 있다. 제1 및 제2 자유층(10, 20)의 물질/구성은 여기서 예시한 바에 한정되지 않는다. 일반적인 자성소자에 적용되는 자유층 물질이 면, 제1 및 제2 자유층(10, 20)의 물질로 적용될 수 있다. 제1 및 제2 자유층(10, 20)의 두께는 1∼10 nm 정도, 예컨대, 1∼5 nm 정도일 수 있다. 제1 및 제2 자유층(10, 20)의 두께는 서로 같을 수 있지만, 경우에 따라서는 다를 수도 있다. Referring to FIG. 1, first and second free layers 10 and 20 spaced apart from each other with a nonmagnetic layer 15 therebetween may be provided. The first and second free layers 10 and 20 are layers in which the magnetization directions are variable, and may be contrasted with a pinned layer having a fixed magnetization direction. The first and second free layers 10 and 20 may have perpendicular magnetic anisotropy or in-plane magnetic anisotropy. When the first and second free layers 10 and 20 have perpendicular magnetic anisotropy, the first and second free layers 10 and 20 may be formed of an alloy layer formed of an alloy containing Co, for example, CoPt and CoCrPt. Alternatively, the layer may include a multilayer structure in which a layer including at least one of Co and a Co alloy and a layer including at least one of Pt, Ni, and Pd are alternately stacked. When the first and second free layers 10 and 20 have horizontal magnetic anisotropy, for example, the first and second free layers 10 and 20 may be material layers including at least one of Co, Ni, and Fe, such as CoFeB and NiFe. The materials / configurations of the first and second free layers 10, 20 are not limited to those illustrated here. The free layer material applied to the general magnetic device may be applied to the materials of the cotton, the first and second free layers 10 and 20. The first and second free layers 10 and 20 may have a thickness of about 1 to 10 nm, for example, about 1 to 5 nm. The thicknesses of the first and second free layers 10 and 20 may be the same, but may be different in some cases.

제1 및 제2 자유층(10, 20) 사이에 구비된 비자성층(15)은 도전층 또는 절연층일 수 있다. 상기 도전층은, 예컨대, Cu, Al, Au, Ag 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나의 금속을 포함하는 층일 수 있다. 상기 절연층은, 예컨대, MgO 및 AlOx 와 같은 산화물을 포함하는 층일 수 있다. 비자성층(15)의 두께는 1∼3 nm 정도일 수 있다. The nonmagnetic layer 15 provided between the first and second free layers 10 and 20 may be a conductive layer or an insulating layer. The conductive layer may be, for example, a layer including at least one metal of Cu, Al, Au, Ag, and a mixture thereof. The insulating layer may be, for example, a layer including an oxide such as MgO and AlOx. The thickness of the nonmagnetic layer 15 may be about 1 to 3 nm.

제1 자유층(10)의 하면에 제1 전극(100)이 구비될 수 있고, 제2 자유층(20)의 상면에 제2 전극(200)이 구비될 수 있다. 제1 및 제2 전극(100, 200)은 일반적인 전자소자에 사용되는 전극 물질로 구성될 수 있다. 제1 및 제2 전극(100, 200)의 구조 및 사이즈는 도시된 바에 한정되지 않고, 다양하게 변형될 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 전극(100, 200)은 제1 및 제2 자유층(10, 20)과 동일한 폭으로 형성할 수도 있다. 제1 및 제2 자유층(10, 20)의 물질에 따라, 제1 및 제2 전극(100, 200)을 구비시키는 것은 선택적(optional)일 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 자유층(10, 20)의 전기 저항이 충분히 낮은 경우, 제1 및 제2 자유층(10, 20) 자체를 전극으로 사용할 수 있으므로, 제1 및 제2 전극(100, 200)을 구비시키지 않을 수도 있다. The first electrode 100 may be provided on a lower surface of the first free layer 10, and the second electrode 200 may be provided on an upper surface of the second free layer 20. The first and second electrodes 100 and 200 may be formed of an electrode material used for a general electronic device. The structure and size of the first and second electrodes 100 and 200 are not limited to those shown and may be variously modified. For example, the first and second electrodes 100 and 200 may have the same width as that of the first and second free layers 10 and 20. Depending on the material of the first and second free layers 10 and 20, it may be optional to include the first and second electrodes 100 and 200. For example, when the electrical resistance of the first and second free layers 10 and 20 is sufficiently low, the first and second free layers 10 and 20 themselves may be used as electrodes, and thus, the first and second electrodes 100 may be used. , 200) may not be provided.

이하에서는, 도 2 및 도 3을 참조하여, 도 1의 구조를 갖는 발진기의 동작방법 및 원리를 설명하도록 한다. Hereinafter, the operation method and principle of the oscillator having the structure of FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

도 2를 참조하면, 도 1의 구조를 갖는 발진기가 마련되어 있다. 여기서, 제1 및 제2 자유층(10, 20)은 수직 자기이방성을 가질 수 있다. 즉, 제1 및 제2 자유층(10, 20)의 자화 용이축(magnetization easy axis)은 Z축에 평행할 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 자유층(10, 20)은 Z축 방향으로 자화된 상태일 수 있다. 제1 및 제2 자유층(10, 20)에 도시된 화살표는 그의 자화 방향을 나타낸다. 이러한 발진기의 동작을 위해, 제1 및 제2 전극(100, 200) 중 어느 하나에서 다른 하나로 전류(I)를 인가할 수 있다. 예컨대, 제1 전극(100)에서 제2 전극(200)으로 전류(I)를 인가할 수 있다. 전류(I)는 직류 전류일 수 있다. 전류(I)의 방향과 전자(e-)의 방향은 반대이므로, 전자(e-)는 제2 전극(200)에서 제1 전극(100)으로 흐를 수 있다. 이와 같이, 전자(e-)가 제2 전극(200)에서 제2 자유층(20)과 제1 자유층(10)을 거쳐 제1 전극(100)으로 흐를 때, 제1 및 제2 자유층(10, 20)의 자화 방향은 소정의 시간 차를 두고 주기적으로 변화될 수 있다. 도 3은 도 2와 같이 전류(I)를 인가했을 때, 제1 및 제2 자유층(10, 20)의 자화 방향이 시간에 따라 어떻게 변화되는지 보여준다. Referring to FIG. 2, an oscillator having the structure of FIG. 1 is provided. Here, the first and second free layers 10 and 20 may have perpendicular magnetic anisotropy. That is, the magnetization easy axis of the first and second free layers 10 and 20 may be parallel to the Z axis. For example, the first and second free layers 10 and 20 may be magnetized in the Z-axis direction. Arrows shown in the first and second free layers 10, 20 indicate their magnetization directions. In order to operate the oscillator, a current I may be applied from one of the first and second electrodes 100 and 200 to the other. For example, the current I may be applied from the first electrode 100 to the second electrode 200. The current I may be a direct current. Since the direction of the current I and the direction of the electron e- are opposite, the electron e- may flow from the second electrode 200 to the first electrode 100. As such, when electrons e- flow from the second electrode 200 to the first electrode 100 through the second free layer 20 and the first free layer 10, the first and second free layers The magnetization directions of (10, 20) can be changed periodically with a predetermined time difference. FIG. 3 shows how the magnetization directions of the first and second free layers 10 and 20 change with time when the current I is applied as shown in FIG. 2.

도 3을 참조하면, 초기 단계(이하, 제1 단계)(S1)에서 제1 및 제2 자유층(10, 20)은 Z축 방향으로 자화된 상태이다. 이때, 제1 및 제2 자유층(10, 20)은 평행(parallel) 상태이다. 전류(I)가 인가되면, 먼저 제2 자유층(20)의 자화 방향이 Z축의 역방향으로 스위칭될 수 있다. 이를 제2 단계(S2)라 한다. 제2 단계(S2)에서 제1 및 제2 자유층(10, 20)은 반평행(antiparallel) 상태이다. 다음, 제1 자유층(10)의 자화 방향이 Z축의 역방향으로 스위칭될 수 있다. 이를 제3 단계(S3)라 한다. 제3 단계(S3)에서 제1 및 제2 자유층(10, 20)은 평행 상태이다. 제4 단계(S4)에서 제2 자유층(20)의 자화 방향이 Z축 방향으로 스위칭될 수 있고, 제5 단계(S5)에서 제1 자유층(10)의 자화 방향이 Z축 방향으로 스위칭될 수 있다. 따라서, 제4 단계(S4)에서 제1 및 제2 자유층(10, 20)은 반평행 상태이고, 제5 단계(S5)에서 제1 및 제2 자유층(10, 20)은 평행 상태이다. 제5 단계(S5)는 제1 단계(S1)와 동일하다. 제5 단계(S5) 이후, 제2 내지 제5 단계(S2∼S5)가 반복될 수 있다. 이와 같이, 전류(I)에 의해 제1 및 제2 자유층(10, 20)의 자화 방향이 시간 차를 두고 주기적으로 변화될 수 있다. 따라서, 제1 자유층(10)의 자화 방향과 제2 자유층(20)의 자화 방향이 같아지는 평행 상태와 제1 자유층(10)의 자화 방향과 제2 자유층(20)의 자화 방향이 반대가 되는 반평행 상태가 주기적으로 반복될 수 있다. Referring to FIG. 3, in the initial stage (hereinafter, referred to as a first stage) S1, the first and second free layers 10 and 20 are magnetized in the Z-axis direction. In this case, the first and second free layers 10 and 20 are in a parallel state. When the current I is applied, first, the magnetization direction of the second free layer 20 may be switched in the reverse direction of the Z axis. This is called a second step S2. In a second step S2, the first and second free layers 10 and 20 are antiparallel. Next, the magnetization direction of the first free layer 10 may be switched in the reverse direction of the Z axis. This is called a third step S3. In a third step S3, the first and second free layers 10 and 20 are in parallel. In the fourth step S4, the magnetization direction of the second free layer 20 may be switched in the Z-axis direction, and in the fifth step S5, the magnetization direction of the first free layer 10 is switched in the Z-axis direction. Can be. Accordingly, in the fourth step S4, the first and second free layers 10 and 20 are antiparallel, and in the fifth step S5, the first and second free layers 10 and 20 are parallel. . The fifth step S5 is the same as the first step S1. After the fifth step S5, the second to fifth steps S2 to S5 may be repeated. As such, the magnetization directions of the first and second free layers 10 and 20 may be periodically changed by the current I with a time difference. Therefore, the parallel state in which the magnetization direction of the first free layer 10 and the magnetization direction of the second free layer 20 are the same, the magnetization direction of the first free layer 10 and the magnetization direction of the second free layer 20 are the same. This opposite antiparallel state can be repeated periodically.

제1 및 제2 자유층(10, 20)이 평행 상태에 있을 때, 발진기의 저항(즉, 제1 및 제2 전극 사이의 전기 저항)은 최소이고, 제1 및 제2 자유층(10, 20)이 반평행 상태에 있을 때, 발진기의 저항은 최대이다. 따라서, 발진기의 저항은 제1 단계(S1), 제2 단계(S2), 제3 단계(S3), 제4 단계(S4) 및 제5 단계(S5)에서 각각 최소(L), 최대(H), 최소(L), 최대(H) 및 최소(L)가 된다. 즉, 발진기의 저항은 최소(L)와 최대(H)를 반복해서 오갈 수 있다. 그러므로 본 발명의 실시예에 따른 발진기는 높은 출력 전력(output power)을 갖고, 특정 주파수 대역의 신호를 발진시킬 수 있다. When the first and second free layers 10, 20 are in parallel, the resistance of the oscillator (ie, the electrical resistance between the first and second electrodes) is minimal and the first and second free layers 10, When 20) is antiparallel, the resistance of the oscillator is at its maximum. Therefore, the resistance of the oscillator is the minimum (L) and the maximum (H) in the first step S1, the second step S2, the third step S3, the fourth step S4 and the fifth step S5, respectively. ), Minimum (L), maximum (H), and minimum (L). That is, the resistance of the oscillator can be repeatedly moved between the minimum (L) and the maximum (H). Therefore, the oscillator according to the embodiment of the present invention has a high output power and can oscillate a signal of a specific frequency band.

도 3은 제1 및 제2 자유층(10, 20)의 자화 방향이 어떻게 변화될 수 있는지, 그 일례를 보여주는 것이다. 제1 및 제2 자유층(10, 20)의 자화 방향이 변화되는 양상은 도 3에 도시된 바에 한정되지 않는다. 3 shows an example of how the magnetization directions of the first and second free layers 10 and 20 may be changed. The aspect in which the magnetization directions of the first and second free layers 10 and 20 are changed is not limited to that shown in FIG. 3.

도 4는 도 2와 같이 발진기에 전류(I)를 인가했을 때, 시간에 따른 제1 및 제2 자유층(10, 20) 각각의 수직 성분 자화량(Mz)의 변화를 보여준다. 이때, 제1 및 제2 자유층(10, 20)으로는 수직 자기이방성을 갖는 CoCrPt층을 사용하였다. 또한, 발진기의 평행 상태에서의 저항(Rp)과 자유층(10 또는 20)의 XY면 단면적(A)의 곱인 "Rp·A"는 0.2μΩ·㎠ 이었다. 자기저항비(magnetoresistance ratio)(%)는 100% 로 가정하였다. FIG. 4 illustrates a change in the magnetization amount Mz of the vertical components of each of the first and second free layers 10 and 20 with time when the current I is applied to the oscillator as shown in FIG. 2. In this case, CoCrPt layers having perpendicular magnetic anisotropy were used as the first and second free layers 10 and 20. In addition, "Rp * A" which is the product of the resistance Rp in the parallel state of an oscillator and the XY surface cross-sectional area A of the free layer 10 or 20 was 0.2 micrometer * cm <2>. The magnetoresistance ratio (%) is assumed to be 100%.

도 4를 참조하면, 제1 자유층(10)의 자화량(Mz)과 제2 자유층(20)의 자화량(Mz)은 약 -450 emu/cc 와 450 emu/cc 사이에서, 일정한 시간 차를 두고 주기적으로 변화되는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 4, the magnetization amount Mz of the first free layer 10 and the magnetization amount Mz of the second free layer 20 are between about −450 emu / cc and 450 emu / cc for a predetermined time. It can be seen that the car changes periodically.

도 5는 도 2와 같이 발진기에 전류(I)를 인가했을 때, 시간에 따른 발진기의 저항 변화, 즉, 제1 및 제2 전극(100, 200) 사이의 저항 변화를 보여준다. FIG. 5 shows a change in resistance of the oscillator over time, that is, a change in resistance between the first and second electrodes 100 and 200 when the current I is applied to the oscillator as shown in FIG. 2.

도 5를 참조하면, 발진기의 저항이 일정한 주기를 갖고 반복해서 변화되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 특정 주파수 대역의 신호가 발진될 수 있다. 이때, 저항변화량(ΔR)은 700Ω 정도이므로, 1MA/㎠ 의 전류를 사용한 경우, 출력 전력(output power)은 ∼2μW 정도로 높을 수 있다. Referring to FIG. 5, it can be seen that the resistance of the oscillator is repeatedly changed at regular intervals. Therefore, a signal of a specific frequency band can be oscillated. At this time, since the resistance change amount ΔR is about 700 mA, when a current of 1MA / cm 2 is used, the output power may be as high as about 2 μW.

종래의 발진기는 통상 하나의 자유층과 그에 대응하는 고정층을 사용한다. 이 경우, 출력 전력(output power)이 ∼1nW 정도로 낮기 때문에, 다양한 분야에 유용하게 적용되기 어렵다. 특히, 상기 고정층과 자유층이 수평 자기이방성을 갖는 경우, 발진기의 동작을 위해 전류(교류 전류)와 함께 자기장을 인가해야 하므로, 구성이 복잡해지고, 동작의 제어가 용이하지 않은 문제가 있다. 부가해서, 상기 고정층의 자화 방향을 고정하기 위해서는 반강자성층(anti-ferromagnetic layer)과 같은 추가적인 물질층들이 요구되므로, 그로 인해, 발진기의 구조가 복잡해지고, 사이즈가 커질 수 있다. Conventional oscillators typically use one free layer and the corresponding fixed layer. In this case, since the output power is as low as ˜1 nW, it is difficult to be usefully applied to various fields. In particular, in the case where the fixed layer and the free layer have horizontal magnetic anisotropy, a magnetic field must be applied together with a current (alternating current) for the operation of the oscillator, so that the configuration becomes complicated and the control of the operation is not easy. In addition, additional layers of material, such as an anti-ferromagnetic layer, are required to fix the magnetization direction of the pinned layer, thereby making the structure of the oscillator complex and large in size.

그러나 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 자유층을 사용하여 높은 출력 전력(output power)을 나타내는 발진기를 구현할 수 있다. 이러한 발진기는 고정층을 사용하지 않기 때문에, 그 구성이 단순할 수 있다. 또한, 직류 전류를 인가하는 단순한 방법으로 동작이 가능할 수 있다. However, according to an embodiment of the present invention, an oscillator exhibiting high output power may be implemented using a plurality of free layers. Since such an oscillator does not use a fixed bed, its configuration can be simple. In addition, the operation may be possible by a simple method of applying a DC current.

도 1에서는 발진기가 두 개의 자유층(10, 20)을 구비한 경우에 대해 도시하였지만, 다른 실시예에 따르면, 세 개 이상의 자유층이 사용될 수 있다. 그 예가 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 도 6 및 도 7의 구조는 도 1에서 변형된 것이다. In FIG. 1, the oscillator has two free layers 10 and 20, but according to another embodiment, three or more free layers may be used. Examples are shown in FIGS. 6 and 7. 6 and 7 are modified from FIG.

도 6을 참조하면, 제1 및 제2 전극(100, 200) 사이에, 세 개의 자유층(이하, 제1 내지 제3 자유층)(10, 20, 30)이 순차로 구비될 수 있다. 제1 자유층(10)과 제2 자유층(20) 사이에 제1 비자성층(15)이 구비될 수 있고, 제2 자유층(20)과 제3 자유층(30) 사이에 제2 비자성층(25)이 구비될 수 있다. 도 6의 제1 내지 제3 자유층(10, 20, 30)은 도 1의 제1 및 제2 자유층(10, 20)과 동일한 층일 수 있고, 도 6의 제1 및 제2 비자성층(15, 25)은 도 1의 비자성층(15)과 동일한 층일 수 있다. 다시 말해, 도 6의 구조는 도 1의 제2 자유층(20)과 제2 전극(200) 사이에 제2 비자성층(25)과 제3 자유층(30)이 추가로 적층된 구조라 할 수 있다. Referring to FIG. 6, three free layers (hereinafter, first to third free layers) 10, 20, and 30 may be sequentially provided between the first and second electrodes 100 and 200. The first nonmagnetic layer 15 may be provided between the first free layer 10 and the second free layer 20, and the second nonmagnetic layer 15 may be provided between the second free layer 20 and the third free layer 30. The stratification layer 25 may be provided. The first to third free layers 10, 20, and 30 of FIG. 6 may be the same layer as the first and second free layers 10 and 20 of FIG. 1, and the first and second nonmagnetic layers of FIG. 15 and 25 may be the same layer as the nonmagnetic layer 15 of FIG. 1. In other words, the structure of FIG. 6 may be a structure in which the second nonmagnetic layer 25 and the third free layer 30 are additionally stacked between the second free layer 20 and the second electrode 200 of FIG. 1. have.

도 7을 참조하면, 제1 및 제2 전극(100, 200) 사이에, 네 개의 자유층(이하, 제1 내지 제4 자유층)(10, 20, 30, 40)이 구비될 수 있다. 제1 자유층(10)과 제2 자유층(20) 사이에 제1 비자성층(15)이, 제2 자유층(20)과 제3 자유층(30) 사이에 제2 비자성층(25)이, 제3 자유층(30)과 제4 자유층(40) 사이에 제3 비자성층(35)이 구비될 수 있다. 도 7의 제1 내지 제4 자유층(10, 20, 30, 40)은 도 1의 제1 및 제2 자유층(10, 20)과 동일한 층일 수 있고, 도 7의 제1 내지 제3 비자성층(15, 25, 35)은 도 1의 비자성층(15)과 동일한 층일 수 있다. 다시 말해, 도 7의 구조는 도 1의 제2 자유층(20)과 제2 전극(200) 사이에 제2 비자성층(25), 제3 자유층(30), 제3 비자성층(35) 및 제4 자유층(40)이 추가로 적층된 구조라 할 수 있다. Referring to FIG. 7, four free layers (hereinafter, first to fourth free layers) 10, 20, 30, and 40 may be provided between the first and second electrodes 100 and 200. The first nonmagnetic layer 15 is between the first free layer 10 and the second free layer 20, and the second nonmagnetic layer 25 is between the second free layer 20 and the third free layer 30. The third nonmagnetic layer 35 may be provided between the third free layer 30 and the fourth free layer 40. The first to fourth free layers 10, 20, 30, and 40 of FIG. 7 may be the same layer as the first and second free layers 10 and 20 of FIG. The stratification layers 15, 25, 35 may be the same layer as the nonmagnetic layer 15 of FIG. 1. In other words, the structure of FIG. 7 includes the second nonmagnetic layer 25, the third free layer 30, and the third nonmagnetic layer 35 between the second free layer 20 and the second electrode 200 of FIG. 1. And the fourth free layer 40 may be further stacked.

여기서, 도시하지는 않았지만, 다섯 개 이상의 자유층을 구비하는 발진기도 가능하다. 즉, 도 7의 제4 자유층(40)과 제2 전극(200) 사이에 별도의 비자성층과 별도의 자유층을 1회 이상 반복 적층할 수 있다. Although not shown, an oscillator having five or more free layers is also possible. That is, a separate nonmagnetic layer and a separate free layer may be repeatedly stacked one or more times between the fourth free layer 40 and the second electrode 200 of FIG. 7.

도 6 및 도 7과 같이, 세 개 이상의 자유층을 사용한 경우에도, 발진기의 동작방법은 도 2를 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 전극(100, 200)을 통해 자유층들을 통과하는 전류를 인가함으로써, 발진기를 동작시킬 수 있다. 이와 같이, 자유층의 수를 증가시키면, 발진기의 출력 전력(output power)이 더욱 증가될 수 있다. 6 and 7, even when three or more free layers are used, the operating method of the oscillator may be similar to that described with reference to FIG. That is, the oscillator may be operated by applying a current passing through the free layers through the first and second electrodes 100 and 200. As such, increasing the number of free layers can further increase the output power of the oscillator.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발진기를 보여주는 단면도이다. 도 8의 구조는 도 1에서 변형된 것이다. 8 is a sectional view showing an oscillator according to another embodiment of the present invention. The structure of FIG. 8 is modified from FIG.

도 8을 참조하면, 비자성층(15') 하면에 제1층(10a)과 제2층(10b)이 차례로 구비될 수 있고, 비자성층(15') 상면에 제3층(20a)과 제4층(20b)이 차례로 구비될 수 있다. 제1층(10a)과 제2층(10b)은 제1 자유층(10')을 구성할 수 있고, 제3층(20a)과 제4층(20b)은 제2 자유층(20')을 구성할 수 있다. 제1층(10a)은 CoFeB층과 같이 수평 자기이방성을 갖는 물질층일 수 있고, 제2층(10b)은 수직 자기이방성을 갖는 물질층일 수 있다. 이와 같이, 수평 자기이방성을 갖는 물질층(즉, 제1층(10a))에 수직 자기이방성을 갖는 물질층(즉, 제2층(10b))이 접촉된 경우, 이들로 구성된 제1 자유층(10')은 수직 자기이방성을 가질 수 있다. 이는 상기 수직 자기이방성을 갖는 물질층(즉, 제2층(10b))에 의해 상기 수평 자기이방성을 갖는 물질층(즉, 제1층(10a))의 자화 용이축이 수직하게 변화될 수 있기 때문이다. 제3층(20a)은 제1층(10a)과 동일한 층일 수 있고, 제4층(20b)은 제2층(10b)과 동일한 층일 수 있다. 따라서 제3 및 제4층(20a, 20b)으로 구성된 제2 자유층(20')은 수직 자기이방성을 가질 수 있다. 제2 및 제4층(10b, 20b)은 단층 또는 다층구조를 가질 수 있다. 한편, 비자성층(15')은 MgO 및 AlOx와 같은 절연층일 수 있지만, 경우에 따라서는, Cu, Al, Au, Ag 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 도전층일 수도 있다. 도 8과 같은 자유층(10', 20')이 세 개 이상 구비된 발진기도 가능하다. Referring to FIG. 8, the first layer 10a and the second layer 10b may be sequentially provided on the lower surface of the nonmagnetic layer 15 ', and the third layer 20a and the third layer may be formed on the upper surface of the nonmagnetic layer 15'. Four layers 20b may be provided in sequence. The first layer 10a and the second layer 10b may constitute the first free layer 10 ', and the third layer 20a and the fourth layer 20b may include the second free layer 20'. Can be configured. The first layer 10a may be a material layer having horizontal magnetic anisotropy, such as a CoFeB layer, and the second layer 10b may be a material layer having vertical magnetic anisotropy. As described above, when the material layer having the perpendicular magnetic anisotropy (that is, the second layer 10b) is in contact with the material layer having the horizontal magnetic anisotropy (that is, the first layer 10a), the first free layer composed of them 10 'may have perpendicular magnetic anisotropy. This is because the axis of easy magnetization of the material layer having the horizontal magnetic anisotropy (ie, the first layer 10a) may be vertically changed by the material layer having the perpendicular magnetic anisotropy (ie, the second layer 10b). Because. The third layer 20a may be the same layer as the first layer 10a, and the fourth layer 20b may be the same layer as the second layer 10b. Accordingly, the second free layer 20 ′ composed of the third and fourth layers 20a and 20b may have perpendicular magnetic anisotropy. The second and fourth layers 10b and 20b may have a single layer or a multilayer structure. The nonmagnetic layer 15 ′ may be an insulating layer such as MgO and AlOx, but in some cases, may be a conductive layer including at least one of Cu, Al, Au, Ag, and a mixture thereof. An oscillator having three or more free layers 10 ′ and 20 ′ as shown in FIG. 8 may also be provided.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 발진기의 동작방법을 간략히 정리한다. 본 동작방법에 대해서는 앞서 도 2 및 도 3에 대한 설명에서 언급한 바 있다. Hereinafter, the operating method of the oscillator according to the embodiment of the present invention will be briefly summarized. This operation method has been mentioned above in the description of FIGS. 2 and 3.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 순서도이다. 9 is a flowchart illustrating a method of operating an oscillator according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발진기에 전류를 인가한다(S10). 예컨대, 도 1 및 도 6 내지 도 8의 제1 및 제2 전극(100, 200) 사이에 상기 전류를 인가할 수 있다. 상기 전류는 직류 전류일 수 있다. 제1 및 제2 전극(100, 200)을 사용하지 않는 경우, 복수의 자유층(10, 10', 20, 20' 30, 40) 중 양단에 위치한 두 자유층 사이에 상기 전류를 인가할 수 있다. 상기 전류에 의해 복수의 자유층(10, 10', 20, 20' 30, 40)의 자화 방향이 시간 차를 두고 반복해서 스위칭될 수 있다. 복수의 자유층(10, 10', 20, 20' 30, 40)의 자화 방향이 시간 차를 두고 반복해서 스위칭되는 동안, 발진기의 전기 저항의 변화를 검출할 수 있다(S20). 즉, 제1 및 제2 전극(100, 200) 사이의 전기 저항의 변화를 검출할 수 있다. 상기 전기 저항은 주기적으로 변화될 수 있다. 이에 대해서는 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한바, 여기서 반복하지 않는다. 이러한 전기 저항의 변화에 의해, 소정 주파수를 갖는 신호가 발생될 수 있다(S30). 상기 전류나 자유층(10, 10', 20, 20' 30, 40)의 크기, 모양, 물성 등을 조절함으로써 발진되는 주파수가 달라질 수 있다. 9, the current is applied to the oscillator according to an embodiment of the present invention (S10). For example, the current may be applied between the first and second electrodes 100 and 200 of FIGS. 1 and 6 to 8. The current may be a direct current. When the first and second electrodes 100 and 200 are not used, the current may be applied between two free layers positioned at both ends of the plurality of free layers 10, 10 ′, 20, 20 '30 and 40. have. By the current, the magnetization directions of the plurality of free layers 10, 10 ′, 20, 20 ′ 30, 40 may be repeatedly switched with a time difference. While the magnetization directions of the plurality of free layers 10, 10 ′, 20, 20 ′ 30, 40 are repeatedly switched with a time difference, a change in the electrical resistance of the oscillator may be detected (S20). That is, the change in the electrical resistance between the first and second electrodes 100 and 200 can be detected. The electrical resistance can change periodically. This has been described with reference to FIGS. 3 to 5, but the description is not repeated herein. By the change of the electrical resistance, a signal having a predetermined frequency may be generated (S30). The oscillation frequency may be varied by adjusting the size, shape, physical properties, etc. of the current or the free layer 10, 10 ′, 20, 20 ′ 30, 40.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 및 도 6 내지 도 8의 구조는 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이고, 그 동작방법도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다. While many details are set forth in the foregoing description, they should be construed as illustrative of specific embodiments rather than to limit the scope of the invention. For example, one of ordinary skill in the art will recognize that the structure of FIGS. 1 and 6 to 8 may be modified in various ways, and the operation method thereof may also be variously changed. You will see that. Therefore, the scope of the present invention should not be defined by the described embodiments, but should be determined by the technical spirit described in the claims.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발진기를 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing an oscillator according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발진기의 동작방법을 보여주는 단면도이다. 2 is a cross-sectional view showing a method of operating an oscillator according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발진기에 전류를 인가했을 때, 자유층들의 자화 방향이 어떻게 변화되는지 보여주는 그래프이다. 3 is a graph showing how the magnetization directions of the free layers change when a current is applied to an oscillator according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발진기에 전류를 인가했을 때, 시간에 따른 자유층들의 자화량(Mz) 변화를 보여주는 그래프이다.4 is a graph showing a change in magnetization amount Mz of free layers with time when a current is applied to an oscillator according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발진기에 전류를 인가했을 때, 시간에 따른 발진기의 저항 변화를 보여주는 그래프이다. 5 is a graph showing a change in resistance of an oscillator with time when a current is applied to the oscillator according to an embodiment of the present invention.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발진기를 보여주는 단면도이다. 6 to 8 are cross-sectional views showing an oscillator according to another embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 발진기의 동작방법을 설명하기 위한 순서도이다. 9 is a flowchart illustrating a method of operating an oscillator according to an embodiment of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 ** Explanation of Signs of Major Parts of Drawings *

10, 20, 30, 40 : 자유층10, 20, 30, 40: free layer

15, 25, 35 : 비자성층15, 25, 35: nonmagnetic layer

100, 200 : 전극100, 200: electrode

Claims (16)

제1 자유층; A first free layer; 상기 제1 자유층 상에 제1 비자성층; 및 A first nonmagnetic layer on the first free layer; And 상기 제1 비자성층 상에 상기 제1 자유층에 대응하는 제2 자유층;을 포함하는 발진기. And a second free layer corresponding to the first free layer on the first nonmagnetic layer. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 및 제2 자유층은 수직 자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 갖는 발진기. The first and second free layers having a perpendicular magnetic anisotropy. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 및 제2 자유층은 수평 자기이방성(in-plane magnetic anisotropy)을 갖는 발진기. The first and second free layers having in-plane magnetic anisotropy. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 비자성층은 도전층 또는 절연층인 발진기. The first nonmagnetic layer is an oscillator. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 및 제2 자유층은 동일한 두께를 갖는 발진기. The first and second free layers have the same thickness. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제2 자유층 상에 제2 비자성층과 제3 자유층이 적어도 1회 반복 적층된 발진기. An oscillator in which a second nonmagnetic layer and a third free layer are repeatedly stacked at least once on the second free layer. 제 6 항에 있어서, The method of claim 6, 상기 제3 자유층은 상기 제1 및 제2 자유층과 동일한 물질로 구성된 발진기. The third free layer is made of the same material as the first and second free layers. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 및 제2 자유층 중 적어도 하나는 다층 구조를 갖는 발진기. At least one of the first and second free layers has a multilayer structure. 제 8 항에 있어서, The method of claim 8, 상기 제1 자유층은 상기 제1 비자성층 하면에 차례로 구비된 제1 및 제2층을 포함하고, 상기 제2 자유층은 상기 제1 비자성층 상면에 차례로 구비된 제3 및 제4층을 포함하며, The first free layer includes first and second layers sequentially disposed on a lower surface of the first nonmagnetic layer, and the second free layer includes third and fourth layers sequentially provided on an upper surface of the first nonmagnetic layer. , 상기 제1층은 상기 제3층과 등가하고, 상기 제2층은 상기 제4층과 등가한 발진기. The first layer is equivalent to the third layer, and the second layer is equivalent to the fourth layer. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 상기 제1 자유층은 상기 제2층에 의해 수직 자기이방성을 갖고, The first free layer has perpendicular magnetic anisotropy by the second layer, 상기 제2 자유층은 상기 제4층에 의해 수직 자기이방성을 갖는 발진기. The second free layer has perpendicular magnetic anisotropy by the fourth layer. 청구항 1에 기재된 발진기의 동작방법에 있어서, In the operating method of the oscillator according to claim 1, 상기 발진기에 전류를 인가하는 단계; 및 Applying a current to the oscillator; And 상기 발진기의 저항 변화를 검출하는 단계;를 포함하는 발진기의 동작방법. Detecting a change in resistance of the oscillator. 제 11 항에 있어서, The method of claim 11, 상기 전류는 직류 전류인 발진기의 동작방법. The current is a direct current. 제 11 항에 있어서, The method of claim 11, 상기 전류는 상기 제1 및 제2 자유층을 통과하도록 인가하는 발진기의 동작방법. And the current is applied to pass through the first and second free layers. 제 11 항에 있어서, The method of claim 11, 상기 제1 및 제2 자유층은 수직 자기이방성을 갖는 발진기의 동작방법. And the first and second free layers have a perpendicular magnetic anisotropy. 제 11 항에 있어서, The method of claim 11, 상기 제1 및 제2 자유층은 수평 자기이방성을 갖는 발진기의 동작방법. And the first and second free layers have horizontal magnetic anisotropy. 제 11 항에 있어서, The method of claim 11, 상기 제2 자유층 상에 제2 비자성층과 제3 자유층이 적어도 1회 반복 적층된 발진기의 동작방법. And a second nonmagnetic layer and a third free layer repeatedly stacked on the second free layer at least once.
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